扫描隧道显微镜的原理及应用

扫描隧道显微镜

扫描隧道显微镜（STM）的原理及其在纳米材料研究中的应用引言透射电子显微镜在观察物质的整体结构方面是很有用的，但在表面结构的分析上却较困难，这是因为透射电子显微镜是由高能电透过样品来获得信息的，反映的是样品物质的内部信息。扫描电子显微镜（SEM）虽然能揭示一定的表面情况，但由于入射电子总具有一定能量，会穿入样品内部，因此分析的所谓“表面”总在一定深度上，而且分辨率也受到很大限制。场发射电子显微镜（FEM）和场离子显微镜（FIM）虽然能很好地用于表面研究，但是样品必须特殊制备，只能置于很细的针尖上，并且样品还需能承受高强电场，这样就使它的应用范围受到了限制。扫描隧道电子显微镜（STM）的工作原理完全不同，它不是通过电子束作用于样品（如透射和扫描电子显微镜）来获得关于样品物质的信息，也不是通过高电场使样品中的电子获得大于脱出功的能量而形成的发射电流成像（如场发射电子显微镜），并以此来研究样品物质，它是通过探测样品表面的隧道电流来成象，从而对样品表面进行研究。 STM技术的最大优势在于可获得原子级的分辨率，通常它的分辨率在平行于表面的方向可达纳米，在垂直于表面的方向可达纳米，此外，STM还可实时地获得材料表面实空间的三维图像；可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是整个表面的平均性质；配合扫描隧道谱STS可以得到有关表面电子结构的信息，例如表面不同层次的态密度、表面电子势阱等。在STM之后衍生出了原子力显微镜、磁力显微镜、近场光学显微镜等一系列新型非接触表面探针技术显微镜，使探针显微镜技术日趋完善，并在纳米科技领域中得到越来越广泛的应用。关键词：扫描隧道显微镜、量子隧道效应、纳米材料一、扫描隧道显微镜的介绍扫描隧道电子显微镜(scanningtunnelingmicroscope，STM)是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器，利用电子在原子间的量子隧穿效应，将物质表面原子的排列状态转换为图像信息的。在量子隧穿效应中，原子间距离与隧穿电流关系相应。通过移动着的探针与物质表面的相互作用，表面与针尖间的隧穿电流反馈出表面某个原子间电子的跃迁，由此可以确定出物质表面的单一原子及它们的排列状态。

扫描隧道显微镜

扫描隧道显微镜摘要：作为研究物质微观结构的有力工具，扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy）与其它种类的显微镜相比，它的分辨本领却可以达到10-10 米。以量子力学为基础的扫描隧道显微镜，可以在大气、液体、真空状态下工作，可以在4.2 K 到1000 K之间的温度下工作；并且对样品也无特殊要求，可以测量单晶、多晶、非晶等样品表面；特别是扫描隧道显微镜可以与其他实验设备结合，应用更加有效、灵活.因此，扫描隧道显微镜在物理学、化学、生物学、纳米材料等领域中都得到了深入而广泛的应用，并取得了一系列重要的研究成果。关键词：扫描隧道显微镜；隧道效应 1 扫描隧道显微镜（STM）简介在探索微观世界的过程中，人类就通过不懈努力希望观测到物质的微观世界。17世纪,世界上第一台光学显微镜发明成功，并且利用这台显微镜，人类首次观察到了细胞的结构，从而开始人类使用仪器研究微观世界的新时代[1]。但是，由于受光波波长的限制，光学显微镜的分辨率只能达到10-6米—10-7米。20 世纪初，利用电子透镜使电子束聚焦的原理，成功的发明了电子显微镜，它的分辨本领达到了10-8米。有了电子显微镜，比细胞小的多的病毒也露出了原形.增强了人们观察微观世界的能力。 1982 年，格尔德·宾宁（G．Binning）及海因里希·罗雷尔

（H ．Rohrer ）在IBM 位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明了，世界上第一台具有原子分辨率的扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope ）。两位发明者因此与恩斯特·鲁斯卡分享了1986 年诺贝尔物理学奖[2]。利用量子力学中隧道效应的扫描隧道显微镜，它的分辨本领甚至达到了10-10米。 2 扫描隧道显微镜（STM ）的原理根据量子理论中的隧道效应，电子有几率穿过势垒，而形成隧道电流.扫描隧道显微镜（STM ）就是利用这一原理制成的.将被研究的物质（必须是导体）表面和探针作为两个电极，当样品与针尖的距离介于1nm 左右时，在外加电压的作用下，电子会穿过这个因为距离形成的势垒而向另一端运动，形成隧道电流I.这个电流满足如下关系： )exp(2/1S l KV I φ-= 其中，K ，l 是常数；V 是施加在探针和样品之间的电压；Φ是探针和样品的平均功函数，它和探针、样品的材料功函数有关,Φ≈Φ1+Φ2；S 是探针和样品间的距离。通过对上式的分析可以发现，对于确定的探针和样品，它们的平均功函数Φ是一个定值，那么隧道电流I 是电压V 和距离S 的一个函数。探针和样品表面的距离S 对隧道电流的影响是很明显的；因为它是一个指数函数，即使是距离S 的一个微小变化，电流却将变化一个甚至几个数量级。因此，保持电压V 的恒定；利用压电陶瓷材料，控制针尖在样品表面X-Y 方向的扫描；通过步进电机，控制探针和样品表面间距

扫描隧道显微镜(STM)的原理和应用

扫描隧道显微镜（STM）的原理和应用【摘要】：本实验主要学习扫描隧道显微镜的工作原理，了解STM的基本仪器结构，掌握用电化学腐蚀方法制作STM探针，熟悉STM的数据采集并获取石墨的原子分辨像，分析所得扫描图像计算x、y方向压电陶瓷的电压灵敏度分别为14.53、 15.6。关键词：扫描隧道显微镜隧道效应石墨晶体一、实验引言：随着材料科学的不断进步，人们能够复制改良设计合成很多种材料。为了能够探测到一些材料的表面形态，在20世纪80年代基于量子隧道效应，IBM公司的Binning博士、Rohrer博士及其同事研制成功了扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscopy，简称STM）。两位发明者因此于1986年获得诺贝尔物理学奖。STM技术的诞生使在纳米尺度范围探测材料的表面特性成为可能，这是因为STM 能够一个原子一个原子地将表面的几何结构和电子结构联系起来，实时地观察单个原子在物质表面的排列状态及与表面电子行为有关的物理、化学性质。 STM技术的最大优势在于可获得原子级的分辨率，通常它的分辨率在平行于表面的方向可达0.1纳米，在垂直于表面的方向可达0.01纳米，此外，STM还可实时地获得材料表面实空间的三维图像；可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是整个表面的平均性质；配合扫描隧道谱STS可以得到有关表面电子结构的信息，例如表面不同层次的态密度、表面电子势阱等。在STM之后衍生出了原子力显微镜、磁力显微镜、近场光学显微镜等一系列新型非接触表面探针技术显微镜，使探针显微镜技术日趋完善，并在纳米科技领域中得到越来越广泛的应用。二、实验原理： 1、量子隧道效应

扫描隧道显微镜

实验目的 ?学习和了解扫描隧道显微镜的原理和结构； ?观测和验证量子力学中的隧道效应； ?学习扫描隧道显微镜的操作和调试过程，并以之来观测样品的表面形貌； ?学习用计算机软件处理原始图象数据。实验原理 ?引言 1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛·宾尼（G．Binning）和海·罗雷尔（H．Rohrer）研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（Scanning Tunnelling Microscope，简称STM）．STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一．为表彰STM的发明者们对科学研究所作出的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金．[ ] ?隧道电流扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope)的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。对于经典物理学来说，当一个粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时，它不可能越过此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿过比它能量更高的势垒(如图)这个现象称为隧道效应。[ ] ?扫描隧道显微镜的工作原理由式(2)可知，隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系，当距离减小0.1nm，隧道电流即增加约一个数量级。因此，根据隧道电流的变化，

我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息，如果同时对x-y方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。[ ] 实验仪器和样品 ?隧道针尖隧道针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要问题之一。针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的形状，而且也影响着测定的电子态。[ ] ?三维扫描控制器压电陶瓷由于仪器中要控制针尖在样品表面进行高精度的扫描，用普通机械的控制是很难达到这一要求的。目前普遍使用压电陶瓷材料作为x-y-z扫描控制器件。所谓压电现象是指某种类型的晶体在受到机械力发生形变时会产生电场，或给晶体加一电场时晶体会产生物理形变的现象。许多化合物的单晶，如石英等都具有压电性质，但目前广泛采用的是多晶陶瓷材料，例如钛酸锆酸铅[Pb(Ti,Zr)O3](简称PZT)和钛酸钡等。压电陶瓷材料能以简单的方式将1mV-1000V的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移。三维扫描控制器用压电陶瓷材料制成的三维扫描控制器主要有三脚架型、单管型和十字架配合单管型等几种。左图给出了这几种类型的结构示意简图，其中：

(新)扫描隧道显微镜的原理及其应用

近代物理实验课程教材实验三十六扫描隧道显微镜的原理及其应用湖南师范大学物信院近代物理实验室金泽渊编 2004年8月

实验三十六扫描隧道显微镜的原理及其应用一、实验目的 1掌握和了解量子力学中的隧道效应的基本原理。 2学习和了解扫描隧道显微镜的基本结构和基本实验方法原理。 3．基本了解扫描隧道显微镜的样品制作过程、设备的操作和调试过程，并最后观察样品的表面形貌。 4正确使用AJ—1扫描隧道显微镜的控制软件，并对获得的表面图象进行处理和数据分析。二、实验仪器 AJ—1型扫描隧道显微镜；P-IV型计算机；样品（两维光栅和高序石墨）；金属探针及工具。三、实验原理 1982年，IBM Zurich实验室的Bindng和Rohcer研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope），这标志着一种具有原子级分辨率的实空间成像技术诞生了，为此这两位科学家获得了1986年诺贝尔奖。多年来，人们对物质结构的认识，大都是通过例如X射线衍射这类实验间接验证的。而扫描隧道显微镜（STM）却能真正解决每一种导电固体表面在原子尺度上的局域电子结构，因而揭示它的表面局域原子结构—表面原子的排列图象。STM的一种拓展，即原子力显微镜（AFM），还可以使绝缘体表面的局域原子结构成像。使人们亲眼看见原子的存在。因为STM能在普通环境下（如大气中）可得到稳定的、高分辨率的原子图象，并对样品无损伤、无干扰和可连续观察过程等优点因而它成为了凝聚态物理、化学、生物学和纳米材料学科的强有力的研究工具。同时也诞生了一门崭新的科学分枝—扫描隧道显微镜学。 1．隧道效应。在经典力学中，电子的总能量E可表示为：

STM扫描隧道显微镜的原理

STM扫描隧道显微镜的原理姓名：王跃班级：1307401 【摘要】：了解扫描隧道显微镜的构造和原理。【关键字】：隧道效应，扫描隧道显微镜。一、量子隧道效应由微观粒子波动性所确定的量子效应。又称势垒贯穿[1]。考虑粒子运动遇到一个高于粒子能量的势垒，按照经典力学，粒子是不可能越过势垒的；按照量子力学可以解出除了在势垒处的反射外，还有透过势垒的波函数，这表明在势垒的另一边，粒子具有一定的概率，粒子贯穿势垒所谓隧道效应，是指在两片金属间夹有极薄的绝缘层（厚度大约为几个nm（10-6mm），如氧化薄膜），当两端施加势能形成势垒V 时，导体中有动能E的部分微粒子在E

如图所示为扫描隧道显微镜的工作原理示意图，它利用尖锐的金属针尖和导电样品之间的隧道电流来描述样品表面的局域信息。导致STM 技术发明的主要原因是作为局域探测技术的三个实验难题获得解决：维持只有几埃量级宽的缝隙稳定性技术、使探针在表面以亚埃德精度定位和扫描的压电传感技术、使样品从原理针尖到逼近针尖至5埃以内而不损坏针尖和样品表面的技术。 STM技术的核心就是一个能在表面上扫描并与样品间有一定偏压的针尖。具体地说，是将极细的探针和被研究的物体表面看做两个电极，当样品和探针的距离非常接近时（通常小于1纳米），它们之间的势垒变得很薄，在外加电场的作用下，电子就会穿过两个电极间的势垒从一个电极流向另一个电极，通过记录遂道电流的变化就能得到有感样品表面形貌的信息。